[论文解读] Impedance Analysis of Modular Multilevel Converter Based on Harmonic State-Space Modeling Method

Jing Lyu, Qiang Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2017

HVDC Systems and Fault Protection参考文献 26被引用 3

一句话总结

本文提出一种谐波状态空间（HSS）建模方法，可精确推导模块化多电平换流器（MMCs）的小信号阻抗模型，解决了传统方法无法捕捉多频率动态的局限性。通过引入谐波线性化，该方法能够准确表征开环、交流电压闭环及环流电流闭环控制下的阻抗特性，仿真与实验结果验证了其有效性。

ABSTRACT

The small-signal impedance modeling of modular multilevel converter (MMC) is the key for analyzing resonance and stability of MMC-based ac power electronics systems. MMC is a converter system with a typical multi-frequency response due to its significant steady-state harmonic components in the arm currents, capacitor voltages, and control signals. Therefore, traditional small-signal modeling methods for 2-level voltage-source converters (VSCs) cannot be directly applied to the MMC. In this paper, the harmonic state-space (HSS) modeling approach is introduced to characterize the harmonic coupling behavior of the MMC. On this basis, the small-signal impedance models of the MMC are developed according to the harmonic linearization principle, which can include all the steady-state harmonic effects of the state variables, leading to the accurate impedance models. Furthermore, in order to reveal the impact of the internal dynamics and closed-loop control on the small-signal impedance of the MMC, three cases are considered in this paper, i.e., open-loop control, ac voltage closed-loop control, and circulating current closed-loop control. Finally, the analytical impedance models are verified by both simulation and experimental results.

研究动机与目标

• 解决MMC固有的多频率谐波分量导致的小信号阻抗建模挑战。
• 克服传统用于两电平VSC的小信号建模技术在MMC中不适用的局限性。
• 构建能够捕捉支路电流、直流支撑电容电压及控制信号中谐波耦合效应的精确阻抗模型。
• 研究内部动态特性及不同控制策略——开环、交流电压闭环与环流电流闭环——对MMC阻抗的影响。
• 通过仿真与实验验证分析所得的阻抗模型。

提出的方法

• 采用谐波状态空间（HSS）建模框架，表征MMC的时间变频、多频率行为。
• 应用谐波线性化，推导包含状态变量所有稳态谐波分量的小信号阻抗模型。
• 基于HSS表示构建阻抗模型，实现对多频率分量间谐波耦合的分析。
• 构建三种不同控制配置下的阻抗模型：开环、交流电压调节与环流电流抑制。
• 利用HSS方法系统分析控制环路如何影响MMC整体阻抗特性。
• 通过电磁暂态仿真与MMC原型实验硬件测试验证分析模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在小信号阻抗建模中准确捕捉MMC中的谐波耦合效应？
• RQ2 MMC在开环、交流电压闭环与环流电流闭环控制策略下的阻抗特性有何差异？
• RQ3 与传统方法相比，基于HSS的建模方法在多大程度上提升了阻抗模型的准确性？
• RQ4 支路电流、直流支撑电容电压及控制信号中的稳态谐波分量如何影响MMC系统的小信号稳定性？
• RQ5 所提出的基于HSS的阻抗模型能否通过仿真与实验结果有效验证？

主要发现

• 基于HSS的阻抗模型成功捕捉了MMC的多频率动态特性，包括稳态分量引起的谐波耦合效应。
• 交流电压闭环控制下的阻抗模型相比开环与环流电流控制情形展现出更优的稳定裕度。
• 引入谐波线性化显著提升了模型精度，尤其在预测MMC系统谐振行为方面表现突出。
• 实验结果证实了阻抗模型的分析预测，仿真与实测数据具有良好一致性。
• 模型揭示环流电流控制对正序阻抗具有显著影响，尤其在较高次谐波频率下更为明显。
• 所提方法可实现MMC型电力电子系统可靠稳定性评估，支持系统设计与控制优化。